利用Red/ET DNA重组工程改造蛋白酶体抑制剂syrbactins生物合成途径开发抗肿瘤药物

Cancer threat has been a global health issue. Proteasomes able to regulate cell cycle and cell apoptosis become essential targets for antitumor drug screening. Syrbactins isolated from microorganisms target the active site of proteasomes, therefore, becoming a potential class of leading compounds with antitumor activity. Moreover, modular assembly of genes and enzymes for syrbactin biosynthesis could promote us to engineer their biosynthetic pathways to generate improved leading compounds utilizing synthetic biological techniques. Based on the collection of syrbactin biosynthetic gene clusters from different bacterial resources and utilization of Red/ET DNA recombinieering, we intend to engineer the biosynthetic pathways of syrbactins via the gene mutation, replacement, rearrangement and assembly. We will create artificial biosynthetic pathways for production of unnatural biosynthesized syrbactin derivatives, which will be screened for proteasome inhibitors with improved antitumor activity. This project will broaden and strengthen the antitumor drug development in China as well yield more insights for strategies to bioengineer natural product pathways.

蛋白酶体因可调控细胞周期和细胞凋亡成为抗肿瘤药物筛选的重要靶标。微生物来源的syrbactins家族化合物是蛋白酶体抑制剂，结构新颖，具有抗肿瘤新药研发的巨大潜力；其生物合成的模块化组装方式为利用合成生物学技术进行抗肿瘤药物优化提供便利。本项目立足于理性设计和改造syrbactins的生物合成途径，实现化合物的构效优化：在进一步发掘syrbactins生物合成基因资源的基础上，利用本团队建立的Red/ET DNA重组工程合成生物学技术平台，对syrbactins生物合成基因元件进行优化、重排和组装，构建人工的syrbactins生物合成途径，在适配底盘细胞中高效表达，从而获得丰富的具有新型结构和活性的“非天然”化合物，筛选具有高效蛋白酶体抑制活性的抗肿瘤药物先导分子。本项目将会推进蛋白酶体抑制剂的新药研发，有助于我国新一代抗肿瘤药物的创新研制。

目前抗癌药物研发刻不容缓。蛋白酶体是抗肿瘤药物筛选的分子靶标。本项目针对蛋白酶体抑制剂家族syrbactins生物合成途径进行了宿主选择优化、理性设计构建人工的生物合成途径，异源表达和筛选抗肿瘤药物先导分子：完成了syrbactins家族基因簇资源的进一步挖掘，新发现的基因簇在原始菌伯克氏菌PG1中是沉默，未能原位激活，需要异源表达来鉴定；完成了包括大肠杆菌、假单胞菌、伯克氏菌等几种宿主细胞的改造，提升它们作为次生代谢产物异源表达宿主的潜力；为进行syrbactins家族组合生物合成研究，在不同宿主中尝试表达不同syrbactins基因簇，发现有两株大肠杆菌(Nissle 1917 and GB05-MtaA) 可成功表达两种不同syrbactins基因簇，白色链霉菌和天蓝色链霉菌也有希望会成为syrbactins基因簇表达的比较好的宿主；优化Red/ET同源重组系统提升其重组效率(新系统命名为ExoCET)，利用此技术，对syrbactins家族化合物开展基因簇间的基因及结构域模块的替换和点突变等研究，发现负责非核糖体肽和聚酮部分的生物合成的基因或结构域替换或点突变未能获得预期结构化合物的表达，但其脂肪酸链的模块替换和点突变则有效改变了syrbactins家族中glidobactin脂肪酸链的长度、饱和度等结构特性，因此获得系列新的衍生物，且具有一定抗肿瘤生物学活性。本项目执行期间发表相关论文9篇，申请相关发明专利3项，获得教育部科技奖励二等奖1项。